EP1569906A1 - Photochemisches halogenierungsverfahren - Google Patents

Photochemisches halogenierungsverfahren

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Publication number
EP1569906A1
EP1569906A1 EP03767641A EP03767641A EP1569906A1 EP 1569906 A1 EP1569906 A1 EP 1569906A1 EP 03767641 A EP03767641 A EP 03767641A EP 03767641 A EP03767641 A EP 03767641A EP 1569906 A1 EP1569906 A1 EP 1569906A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acid
substituted
amine
starting compound
adduct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03767641A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Braun
Uta Claassen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Solvay Fluor GmbH
Original Assignee
Solvay Fluor GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Solvay Fluor GmbH filed Critical Solvay Fluor GmbH
Publication of EP1569906A1 publication Critical patent/EP1569906A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07B—GENERAL METHODS OF ORGANIC CHEMISTRY; APPARATUS THEREFOR
    • C07B39/00—Halogenation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D213/00—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D213/02—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D213/04—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom
    • C07D213/60—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D213/61—Halogen atoms or nitro radicals

Definitions

  • the invention relates to a process for photochemical halogenation, in particular for photochemical chlorination, and certain adducts obtained thereby.
  • the photochemical halogenation is a process with which halogenated, z. B. chlorinated target compounds that differ from the starting compounds in that they have at least 1 halogen atom, for. B. have at least 1 chlorine atom more than the starting compound.
  • the photochlorination involves a chlorine-hydrogen exchange, as a main reaction or as a side reaction, HCI is produced.
  • the HCl formed does not interact with compounds present in the reaction mixture, the photochemical irradiation is usually not adversely affected.
  • the HCI either gases out of the reaction mixture and / or remains partially dissolved in it.
  • the reaction is then adversely affected or may come to a complete standstill if the HCl formed forms adducts with one or more of the compounds in the reaction mixture which precipitate out as a solid. These solids prevent the further radiation of the photo radiation.
  • the invention aims to provide an improved method for photohalogenation, in particular for improved photochlorination, in which no hydrohalide adducts, e.g. B. hydrochloride adducts must be used, or in which starting compounds, target compounds and / or any amines with hydrohalide formed, in particular with HCl formed during photochlorination, do not form adducts which precipitate out as solids and inhibit the photoreaction.
  • no hydrohalide adducts e.g. B. hydrochloride adducts must be used, or in which starting compounds, target compounds and / or any amines with hydrohalide formed, in particular with HCl formed during photochlorination, do not form adducts which precipitate out as solids and inhibit the photoreaction.
  • the invention is based on the finding that photochemical chlorination with the exchange of hydrogen for chlorine in organic compounds which give adducts with formed HCl, which precipitate out as a solid, is possible if an acid is added which is so strong that it does so Can displace HCl from the adducts, or if the starting compounds are already used as an adduct of this acid. This finding applies to photohalogenization in general.
  • the process according to the invention for the production of target compounds substituted by at least 1 halogen atom by photochemical halogenation of starting compounds which are substituted by at least 1 halogen atom less than the target compounds, by exchanging hydrogen for halogen provides that the photohalogenation is carried out with addition and / or in In the presence of an acid which at least partially drives off the hydrogen halide which is released during the halogen-hydrogen exchange, or wherein the starting compound is used as an adduct with such an acid, so that the starting compound is at least partially prevented from the target compound and / or any amine present forms an adduct with the hydrogen halide formed, which precipitates as a solid.
  • Halogen preferably means bromine or choir, especially chlorine. The invention is further explained on the basis of the particularly preferred photochlorination.
  • the HCI formed when hydrogen is replaced by chlorine is at least partially expelled from the reaction mixture in the process.
  • photochlorination can also be carried out at even higher temperatures.
  • a preferred minimum temperature is 50 ° C.
  • the HCI formed is predominantly or essentially completely expelled.
  • the turnover is correspondingly high.
  • the upper temperature limit for the reaction mixture is variable. It is therefore expedient not to work above a temperature at which undesired by-products are formed to an undesirable extent, at which one undesirably drives off product from the mixture or at which the pressure in the reactor is undesirably high.
  • a preferred upper limit at which the reaction according to the invention is carried out is 150 ° C., particularly 140 ° C. It is therefore expedient to photochlorine in the range from 10 to 150 ° C., preferably in the range from 50 to 140 ° C.
  • the acid which is intended to drive off the HCl formed in whole or in part from the reaction mixture can be introduced into the reaction mixture in a wide variety of ways.
  • the starting compound, any amine to be added and the acid, optionally together with chlorine can be mixed in any order in a reactor.
  • the starting compound or an amine to be added if necessary can also be used, at least partially or completely, in the form of adducts with the acid.
  • Another possibility is to use the starting compound or the amine to be added as a hydrochloride adduct, but to convert it into the acid adduct by reaction with the acid before carrying out the photochemical chlorination.
  • the HCl from the salt is then at least partially, preferably completely, driven off before the actual reaction.
  • the acid is present in an amount which is greater than the amount necessary to form adducts with the starting compound, target compound or any amine present. Since the starting compound is converted into the target compound and usually both are capable of forming adducts with the acid, it is sufficient to provide an excess of the acid in terms of the amount of starting compound or the sum of starting compound and any amine present.
  • acids which can prevent the precipitation of adducts of the starting or target compound and any amine present with HCl in the reaction mixture and which likewise do not form any adducts precipitating as a solid can be used as the "acid".
  • acids which are stronger than HCl and can therefore release them from its compounds for example halogenated or partially halogenated carboxylic acids, especially halogenated or partially halogenated alkane carboxylic acids or alkane dicarboxylic acids with 1 to 4 carbon atoms in the alkyl or radical.
  • a particularly preferred acid is trifluoroacetic acid.
  • Other acids that can be used are perfluoropropionic acid, chlorodifluoroacetic acid or difluoroacetic acid.
  • HCI can drive out of the reaction mixture and does not form a solid with the starting or target compound can be determined by simple manual tests.
  • the starting compound and an excess of the acid can be mixed, chlorine added and light emitted. If no solid precipitates at least during most of the reaction, the acid is suitable.
  • the starting compounds used in the preferred photochlorination are those compounds which can be substituted for chlorine by replacing hydrogen, so that at least 1 more chlorine atom is present in the target compound. It is not excluded that the addition of chlorine to unsaturated bonds can also take place, for. B. on C-C double or triple bonds. Then more chlorine must be introduced into the reaction mixture.
  • Preferred starting compounds are amines.
  • branched or unbranched aliphatic amines or cyclic aliphatic amines can be chlorinated accordingly.
  • the process for chlorinating aromatic amines which are substituted by one or more alkyl groups is very suitable.
  • the nitrogen atom can be built into the aromatic ring. However, it can also be present as a substituent on the aromatic ring. Connections can also be used that have several nitrogen atoms which are built into the aromatic ring and / or are present as a substituent.
  • one or more other substituents can be present, for example halogen atoms on the aromatic nucleus.
  • alkyl preferably denotes alkyl with 1 to 4 carbon atoms, especially methyl, ethyl, i-propyl and n-propyl.
  • Preferred classes of compounds are pyridines and quinolines which are substituted by at least one alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
  • Pyridines which are substituted by 1 to 5 alkyl groups each having 1 to 4 carbon atoms are very particularly preferred.
  • Pyridines which are substituted by 1, 2 or 3 alkyl groups having 1 to 3 C atoms are particularly preferred.
  • Excellent compounds are picolines (i.e. pyridine substituted by 1 methyl group), lutidines (i.e. pyridine substituted by 2 methyl groups) and collidines (i.e. pyridine substituted by 3 methyl groups). These compounds exist in several isomers, all of which can be used. 2-Picoline, 3-methylpyridine and 4-methylpyridine (i.e. the three isomeric picolines) are particularly suitable.
  • amines used as particularly preferred starting compounds can already be used as substituted compounds, for example substituted by halogen, nitro or amino groups.
  • photochlorinating amino groups it is of course not necessary to add amine.
  • Chlorine-substituted picolines are intermediates in chemical synthesis. They are useful, for example, for the preparation of herbicides, see US-A 4,577,027. They can be converted into fluoropicolines by fluorination, which in turn are intermediate products, for example in the production of active pharmaceutical ingredients, see WO 95/30670.
  • the photochemical reaction is caused by exposure to light.
  • light of any wavelength can be used, for example light of a wavelength above 200 nm.
  • Light of a wavelength of greater than 280 nm is preferably irradiated.
  • glass devices are used which absorb shorter wavelengths, e.g. B. borosilicate glass.
  • light emitters can be used which only or largely only emit light of a wavelength above 280 nm.
  • the molar ratio of acid to picoline is at least 1: 1. It can also be much larger, up to 10: 1. It can be even larger than 10: 1, preferably up to 20: 1; then the trifluoroacetic acid acts as a solvent.
  • At least 0.6 mol of chlorine is used per gram of hydrogen atom to be exchanged. It is advantageous to use at least 1 mole of chlorine per gram of hydrogen to be exchanged. A preferred range is 1 to 1.3 moles of chlorine per gram of hydrogen to be exchanged. If chlorine is also added, for example on CC double or triple bonds, a little more chlorine must be used accordingly.
  • the reaction mixture can be generated in various ways. For example, you can mix the picoline and the desired amount of trifluoroacetic acid in the reactor. Alternatively, an adduct of picoline and trifluoroacetic acid which has already been prepared beforehand can be used. It is also possible to first introduce picoline hydrochloride into the reactor and to generate the desired adduct with trifluoroacetic acid at elevated temperature while expelling the HCl formed. In all cases, free trifluoroacetic acid can be added if desired.
  • one or more hydrogen atoms can be exchanged.
  • the reaction can be stopped at the level of the monochlorinated picoline. If more chlorine is added, the chlorination continues successively.
  • the chlorinated amine produced in the photochemical chlorination for example chloropicolin
  • the isolation can be done in different ways. For example, a base can be added and the free amine formed can be extracted from the reaction mixture with water. After the water has been separated off by customary methods, the free amine is present. Another method is to precipitate the amine, e.g. B. as salt.
  • the chlorinated amine can be used after the photochlorination z. B. precipitated as an HCI adduct by introducing gaseous HCI.
  • Yet another method provides for the chlorinated amine and trifluoroacetic acid adduct to be distilled out of the reaction mixture.
  • the isolated adduct of chlorinated amine, for example 2-chloropicolin (2-chloromethyl-pyridine) and trifluoroacetic acid can then be mixed with a base in order to obtain the free chlorinated amine, for example the free 2-chloropicolin, or alternatively one can also do this Continue reacting the adduct of chloropicolin and trifluoroacetic acid without isolating the free base.
  • Another object of the invention are adducts of trifluoroacetic acid, perfluoropropionic acid, difluoroacetic acid and chlorodifluoroacetic acid with pyridines and Quinolines which are substituted by one or more C1-C4-alkyl groups with the proviso that at least one alkyl group is substituted by at least 1 chlorine atom.
  • Adducts of trifluoroacetic acid and pyridine which are substituted by at least one C1-C4-alkyl group, preferably by 1, 2 or 3 alkyl groups, wherein at least one alkyl group is substituted by at least 1 chlorine atom are particularly preferred.
  • Adducts of trifluoroacetic acid and chloromethylpicolin, in particular 2-chloromethylpicolin, are particularly preferred. Such adducts can be used, for example, as intermediates in the production of fluorine-substituted amines with chlorine-fluorine exchange.
  • the invention further relates to adducts of trifluoroacetic acid, perfluoropropionic acid, difluoroacetic acid and chlorodifluoroacetic acid with pyridines and quinolines which are substituted by one or more C1-C4-alkyl groups.
  • Adducts of trifluoroacetic acid and pyridine which are substituted by at least one C1-C4-alkyl group, preferably by 1, 2 or 3 alkyl groups, are particularly preferred.
  • Adducts of trifluoroacetic acid and methylpicolin, in particular with 2-methylpicolin are particularly preferred.
  • Such adducts can be used, for example, as intermediates in the process according to the invention.
  • the invention has the advantage that the photochemical chlorination of amines in particular is possible.
  • Picolin x 3 TFA was placed in the photoreactor with a cooling water jacket and a 500 watt UV lamp was ignited. After 10 min. was chlorine in there. 25 ° C warm reaction solution initiated. After adding about 30 g of chlorine there was a slight evolution of gas observable (Kl solution turned brown). After the addition of 87.4 mol% chlorine, a sample was taken, only 51 mol% chlorinated. Chlorine was passed in further, after adding 119.6 mol% of chlorine, the mixture became cloudy, the introduction of chlorine was stopped, and the chlorination was now 66%. Part of the batch was distilled over a packed column.
  • the 2-chloromethylpyridine was about 66% pure. Vacuum was applied and slowly reduced to 1 mbar, since there was a strong gas evolution. Then it was heated. The approach turned black. The distillation gave brown colored fractions.
  • Example 1 shows that even at 25 ° C, photochlorination is already possible. However, sales are not complete because too little HCI has been driven out.
  • the amine was placed in a 250 ml three-necked flask and the TFA was added dropwise at room temperature. It was cooled with a dry ice cooler and ice bath. The temperature of 38 ° C was not exceeded during the dropping. After the reaction, the mixture was colored slightly yellow, but clear.
  • the example shows that an almost quantitative, selective conversion to 2-chloromethylpyridine (2-chloropicolin) is possible at a sufficiently high temperature.
  • 3-Picolin x 3 TFA was placed in a double jacket in the photoreactor and heated to 60 ° C. by means of a thermostat, then the 150 watt UV lamp (with compressed air cooling) was ignited and chlorine was introduced after a further 10 min. The batch turned yellow, gaseous HCl escaped from the photoreactor. No precipitate (HCI adducts) was visible in the reactor. The selectivity to 3-trichloromethylpyridine was 98% (purity determination by NMR). Repetition with high lamp power and higher chlorine introduction rate
  • Experiment 3 shows that the photochemical chlorination according to the invention can also be carried out with other isomers of methylpyridine. It also shows that, depending on the amount of chlorine used, the chlorination can be stopped in the monochlorinated adduct or can be chlorinated through to the trichloromethyl compound.

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Abstract

Der Zusatz einer Säure, die Halogenwasserstoff, besonders HCI, aus der Reaktionsmischung austreibt, gestattet die photochemische Halogenierung, besonders die Chlorierung von organischen Verbindungen durch Chlor-Wasserstoff-Austausch, selbst wenn die Ausgangsverbindungen, Zielverbindungen oder etwaig vorhandene Amine mit dem freigesetzten Halogenwasserstoff wie HCI Addukte bilden, die ohne Säurezusatz ausfallen würden.

Description

Photochemisches Halogenierungsverfahren
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur photochemischen Halogenierung, insbesondere zur photochemischen Chlorierung und bestimmte, dabei erhaltene Addukte.
Die photochemische Halogenierung, besonders die Bromierung und insbesondere die photochemische Chlorierung, ist ein Verfahren, mit welchem sich halogenierte, z. B. chlorierte Zielverbindungen herstellen lassen, die sich von den Ausgangsverbindungen dadurch unterscheiden, daß sie mindestens 1 Halogenatom, z. B. mindestens 1 Chloratom mehr aufweisen als die Ausgangsverbindung. Sofern, um die bei der Photochlorierung zu bleiben, die Photochlorierung einen Chlor-Wasserstoff-Austausch beinhaltet, als Hauptreaktion oder als Nebenreaktion, entsteht HCI. Wenn das gebildete HCI nicht mit Verbindungen, die in der Reaktionsmischung vorhanden sind, in Wechselwirkung tritt, wird die photochemische Einstrahlung gewöhnlich nicht negativ beeinflußt. Das HCI gast entweder aus dem Reaktionsgemisch hinaus, und/oder es bleibt teilweise darin gelöst. Die Reaktion wird dann nachteilig beeinflußt oder kommt womöglich völlig zum Erliegen, wenn das gebildete HCI mit einer oder mehreren der Verbindungen in der Reaktionsmischung Addukte bildet, die als Feststoff ausfallen. Diese Feststoffe verhindern das weitere Einstrahlen der Photostrahlung.
Dies ist besonders kritisch bei der Chlorierung von Aminen. Laut Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band V/3 (1962), Seite 640, ist es bei der Chlorierung auf alle Fälle zweckmäßig, nicht von den freien Aminen, sondern von ihren salzsauren Salzen auszugehen. Eine Photochlorierung ist deshalb mit solchen Verbindungen nicht möglich; als Ausweg bietet sich gemäß der japanischen Patentanmeldung 62/036358 an, das Aminhydrochlorid in wäßriger Lösung einzusetzen. Nachteil ist hierbei jedoch, daß dies nur mit wasserlöslichen Aminen möglich ist; die Wasserlöslichkeit verringert sich mit zunehmender Substitution (größer werdender organischer Anteil im Molekül). Außerdem müssen die großen Wassermengen nach der Reaktion abgetrennt werden.
Die Erfindung will ein verbessertes Verfahren zur Photohalogenierung, insbesondere zur verbesserten Photochlorierung zur Verfügung stellen, bei welchem keine Hydro- halogenid-Addukte, z. B. Hydrochlorid-Addukte eingesetzt werden müssen, bzw. bei welchem Ausgangsverbindungen, Zielverbindungen und/oder etwaig vorhandene Amine mit gebildetem Hydrohalogenid, insbesondere mit bei der Photochlorierung gebildetem HCI keine Addukte bilden, die als Feststoffe ausfallen und die Photoreaktion hemmen. Diese Aufgabe und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine photochemische Chlorierung unter Austausch von Wasserstoff gegen Chlor in organischen Verbindungen, die mit gebildetem HCI Addukte ergeben, die als Feststoff ausfallen, möglich ist, wenn man eine Säure zusetzt, die so stark ist, daß sie das HCI aus den Addukten verdrängen kann, oder wenn man die Ausgangsverbindungen bereits als Addukt dieser Säure einsetzt. Diese Erkenntnis gilt für die Photohalogenierung allgemein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von durch mindestens 1 Halogenatom substituierten Zielverbindungen durch photochemische Halogenierung von Ausgangsverbindungen, die durch mindestens 1 Halogenatom weniger substituiert sind als die Zielverbindungen, unter Austausch von Wasserstoff gegen Halogen, sieht vor, daß man die Photohalogenierung unter Zusatz und/oder in Anwesenheit einer Säure durchführt, welche den Halogenwasserstoff, der beim Halogen-Wasserstoff-Austausch freigesetzt wird, mindestens teilweise aus dem Reaktionsgemisch austreibt, oder wobei man die Ausgangsverbindung als Addukt mit einer solchen Säure einsetzt, so daß mindestens teilweise verhindert wird, daß die Ausgangsverbindung, die Zielverbindung und/oder ein etwaig vorhandenes Amin mit dem gebildeten Halogenwasserstoff ein Addukt bildet, das als Feststoff ausfällt. Halogen bedeutet bevorzugt Brom oder Chor, insbesondere Chlor. Anhand der besonders bevorzugten Photochlorierung wird die Erfindung weiter erläutert.
Die beim Austausch von Wasserstoff gegen Chlor entstehende HCI, wird beim Verfahren mindestens teilweise aus der Reaktionsmischung ausgetrieben. Man kann ge- wünschtenfalls auch bei noch höheren Temperaturen photochlorieren, falls das nötig sein sollte. Damit die entstehende HCI mindestens teilweise aus der Reaktionsmischung ausgast, kann es notwendig sein, eine Temperatur vorzusehen, die höher ist als 10 °C oder als die Umgebungstemperatur. Eine bevorzugte Mindesttemperatur ist 50 °C. Bei dieser Temperatur wird die gebildete HCI überwiegend oder im Wesentlichen vollständig ausgetrieben. Entsprechend hoch ist dann der Umsatz. Die Temperaturobergrenze für die Reaktionsmischung ist variabel. So ist es zweckmäßig, nicht oberhalb einer Temperatur zu arbeiten, bei welcher in unerwünschtem Maße unerwünschte Nebenprodukte entstehen, bei welcher man unerwünscht Produkt aus der Mischung austreibt oder bei welcher der Druck im Reaktor unerwünscht hoch ist. Eine bevorzugte Obergrenze, bei welcher man die erfindungsgemäße Reaktion durchführt, ist 150 °C, besonders 140 °C. Man photochloriert deshalb zweckmäßig im Bereich von 10 bis 150 °C, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 140 °C.
Die Säure, die die gebildete HCI ganz oder teilweise aus der Reaktionsmischung austreiben soll, kann auf verschiedenste Weise in die Reaktionsmischung eingebracht werden. Beispielsweise kann man die Ausgangsverbindung, ein etwaig zuzusetzendes Amin und die Säure, gegebenenfalls zusammen mit Chlor, in einem Reaktor in beliebiger Reihenfolge vermischen. Die Ausgangsverbindung oder ein ggf. zuzusetzendes Amin kann man auch, mindestens teilweise, oder auch vollständig, in Form von Addukten mit der Säure einsetzen. Eine andere Möglichkeit sieht vor, die Ausgangsverbindung oder das etwaig zuzusetzende Amin zwar als Hydrochlorid-Addukt einzusetzen, aber vor Durchführung der photochemischen Chlorierung durch Umsetzung mit der Säure in das Säureaddukt zu überführen. Die HCI aus dem Salz wird dann vor der eigentlichen Reaktion mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, ausgetrieben.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Säure in einer Menge anwesend ist, die größer ist als die Menge, die zur Bildung von Addukten mit der Ausgangsverbindung, Zielverbindung bzw. etwaig vorhandenem Amin nötig ist. Da die Ausgangsverbindung zur Zielverbindung umgesetzt wird und üblicherweise beide zur Bildung von Addukten mit der Säure befähigt sind, reicht es aus, einen Überschuß der Säure im Hinblick auf die Menge an Ausgangsverbindung vorzusehen, bzw. auf die Summe von Ausgangsverbindung und etwaig vorhandenem Amin.
Als "Säure" können alle jene Säuren eingesetzt werden, die im Reaktionsgemisch das Ausfällen von Addukten der Ausgangs- oder Zielverbindung sowie etwaig vorhandenem Amin mit HCI verhindern können und selbst ebenfalls keine als Feststoff ausfallenden Addukte bilden. Es handelt sich üblicherweise um Säuren, die stärker als HCI sind und diese deshalb aus seinen Verbindungen freisetzen können, beispielsweise haloge- nierte oder teilweise halogenierte Carbonsäuren, besonders halogenierte oder teilweise halogenierte Alkancarbonsäuren oder Alkandicarbonsäuren mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkyl- bzw. Alkylenrest. Eine besonders bevorzugte Säure ist Trifluoressigsäure. Andere gut brauchbare Säuren sind Perfluorpropionsäure, Chlordifluoressigsäure oder Difluores- sigsäure. Ob eine zur Verwendung vorgesehene Säure brauchbar ist, d. h., HCI aus der Reaktionsmischung austreiben kann und keinen Feststoff mit der Ausgangs- oder Zielverbindung bildet, kann durch einfache Handversuche ermittelt werden. Dabei kann man die Ausgangsverbindung und einen Überschuß der Säure vermischen, Chlor zufügen und Licht einstrahlen. Wenn zumindest während des überwiegenden Teils der Reaktion kein Feststoff ausfällt, ist die Säure geeignet.
Als Ausgangsverbindungen bei der bevorzugten Photochlorierung werden solche Verbindungen eingesetzt, die unter Austausch von Wasserstoff gegen Chlor substituiert werden können, so daß in der Zielverbindung mindestens 1 Chloratom mehr vorhanden ist. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, daß zusätzlich auch die Anlagerung von Chlor an ungesättigte Bindungen erfolgen kann, z. B. an C-C-Doppel- oder Dreifachbindungen. Dann muß entsprechend mehr Chlor in die Reaktionsmischung eingebracht werden.
Bevorzugte Ausgangsverbindungen sind Amine. Beispielsweise kann man verzweigte oder unverzweigte aliphatische Amine oder cyclische aliphatische Amine entsprechend chlorieren. Sehr gut geeignet ist das Verfahren zur Chlorierung von aromatischen Aminen, die durch eine oder mehrere Alkylgruppen substituiert sind. Dabei kann das Stickstoffatom in den aromatischen Ring eingebaut sein. Es kann aber auch als Sub- stituent am aromatischen Ring vorliegen. Es sind auch Verbindungen einsetzbar, die mehrere Stickstoffatome aufweisen, die in den aromatischen Ring eingebaut und/oder als Substituent vorliegen. Zusätzlich können ein oder mehrere andere Substituenten vorliegen, beispielsweise Halogenatome am aromatischen Kern.
Der Begriff Alkyl bezeichnet bevorzugt Alkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, besonders Methyl, Ethyl, i-Propyl und n-Propyl. Bevorzugte Verbindungsklassen sind Pyridine und Chinoline, die durch mindestens eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen substituiert sind. Ganz besonders bevorzugt sind Pyridine, die durch 1 bis 5 Alkylgruppen mit je 1 bis 4 Kohlenstoffatomen substituiert sind. Insbesondere bevorzugt sind Pyridine, die durch 1 , 2 oder 3 Alkylgruppen mit 1 bis 3 C-Atomen substituiert sind. Hervorragend geeignete Verbindungen sind Picoline (d. h. durch 1 Methylgruppe substituiertes Pyridin), Lutidine (d. h. durch 2 Methylgruppen substituiertes Pyridin) und Collidine (d. h. durch 3 Methylgruppen substituiertes Pyridin). Diese Verbindungen liegen in mehreren Isomeren vor, die alle einsetzbar sind. Besonders geeignet sind 2-Picolin, 3-Methylpyridin und 4-Methylpyridin (d. h. die drei isomeren Picoline).
Die als besonders bevorzugte Ausgangsverbindungen eingesetzt Amine können bereits als substituierte Verbindungen eingesetzt werden sein, beispielsweise substituiert durch Halogen-, Nitro- oder Aminogruppen. Bei der Photochlorierung von Aminogruppen ist ein Zusatz von Amin natürlich nicht notwendig.
Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform, der Herstellung chlorierter Picoline, insbesondere der Herstellung von chloriertem 2-Picolin und chloriertem 3-Methylpyridin, weiter erläutert.
Chlorsubsituierte Picoline sind Zwischenprodukte in der chemischen Synthese. Sie sind beispielsweise für die Herstellung von Herbiziden brauchbar, siehe US-A 4,577,027. Sie können durch Fluorierung in Fluorpicoline überführt werden, die ihrerseits Zwischenprodukte sind, beispielsweise bei der Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen, siehe WO 95/30670.
Die photochemische Reaktion wird durch Lichteinstrahlung bewirkt. Prinzipiell ist Licht beliebiger Wellenlänge brauchbar, beispielsweise Licht einer Wellenlänge oberhalb von 200 nm. Bevorzugt strahlt man Licht einer Wellenlänge von größer als 280 nm ein. Hierzu verwendet man beispielsweise Glasapparaturen, die kürzere Wellenlängen absorbieren, z. B. Borosilikat-Glas. Stattdessen oder zusätzlich kann man Lichtstrahler einsetzen, die nur oder weitgehend nur Licht einer Wellenlänge oberhalb von 280 nm abstrahlen.
Das Molverhältnis der Säure zum Picolin, beispielsweise das Molverhältnis von Trifluoressigsäure zu 2-Picolin, beträgt mindestens 1 :1. Es kann auch wesentlich größer sein, bis hin zu 10:1. Es kann sogar noch größer als 10:1 sein, bevorzugt bis hin zu 20:1 ; dann wirkt die Trifluoressigsäure wie ein Lösemittel. Pro Gramm auszutauschendem Wasserstoffatom werden mindestens 0,6 Mol Chlor eingesetzt. Vorteilhaft setzt man mindestens 1 Mol Chlor je Gramm auszutauschendem Wasserstoff ein. Ein bevorzugter Bereich ist 1 bis 1 ,3 Mol Chlor pro Gramm auszutauschendem Wasserstoff. Erfolgt zusätzlich noch eine Chloranlagerung, beispielsweise an C-C-Doppel- oder -Dreifachbindungen, muß entsprechend etwas mehr Chlor eingesetzt werden.
Die Reaktionsmischung kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann man das Picolin und die gewünschte Menge an Trifluoressigsäure im Reaktor vermischen. Alternativ kann man ein bereits vorab hergestelltes Addukt aus Picolin und Trifluoressigsäure einsetzen. Möglich ist es auch, zunächst Picolinhydrochlorid in den Reaktor einzubringen und mit Trifluoressigsäure bei erhöhter Temperatur unter Austreiben des gebildeten HCI das gewünschte Addukt zu erzeugen. In allen Fällen kann man gewünschtenfalls noch freie Trifluoressigsäure zufügen.
Je nach eingesetzter Menge an Chlor kann man ein oder mehrere Wasserstoffatome austauschen. Bei der Chlorierung von Picolin kann man die Umsetzung auf der Stufe des monochlorierten Picolins anhalten. Setzt man mehr Chlor zu, wird sukzessive weiterchloriert.
Das bei der photochemischen Chlorierung hergestellte chlorierte Amin, beispielsweise Chlorpicolin, liegt als Addukt mit Trifluoressigsäure vor. Die Isolierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann man eine Base zusetzen und das gebildete freie Amin mit Wasser aus der Reaktionsmischung extrahieren. Nach Abtrennung des Wassers nach üblichen Methoden liegt das freie Amin vor. Eine andere Methode sieht vor, das Amin auszufällen, z. B. als Salz. Das chlorierte Amin kann nach Beendigung der Photochlorierung z. B. als HCI-Addukt durch Einleiten von gasförmiger HCI ausgefällt werden. Der Vorteil der Erfindung, die Möglichkeit, eine photochemische Halogenierung durchzuführen, ohne daß ausgefälltes Produkt den Lichtdurchgang stört, bleibt bei dieser Ausführungsform, bei der nach der Photohalogenierung eine Fällung vorgenommen wird, gewahrt. Dieses HCI-Addukt kann dann als solches verwendet werden, beispielsweise in einer Fluorierungsreaktion zur Herstellung entsprechender fluorierter Produkte. Trichlor- methylpyridin kann beispielsweise zu Trifluormethylpyridin fluoriert werden.
Noch eine weitere Methode sieht vor, das Addukt von chloriertem Amin und Trifluoressigsäure aus der Reaktionsmischung herauszudestillieren. Das isolierte Addukt von chloriertem Amin, beispielsweise von 2-Chlorpicolin (2-Chlormethyl-pyridin) und Trifluoressigsäure kann dann mit einer Base versetzt werden, um das freie chlorierte Amin, beispielsweise das freie 2-Chlorpicolin, zu gewinnen, alternativ kann man auch das Addukt von Chlorpicolin und Trifluoressigsäure weiter umsetzen, ohne daß die freie Base isoliert wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Addukte der Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Difluoressigsäure und Chlordifluoressigsäure mit Pyridinen und Chinolinen, die durch eine oder mehrere C1 -C4-Alkylgruppen substituiert sind mit der Maßgabe, daß mindestens eine Alkylgruppe durch mindestens 1 Chloratom substituiert ist. Besonders bevorzugt sind Addukte der Trifluoressigsäure und Pyridin, das durch mindestens eine C1-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise durch 1 , 2 oder 3 Alkylgruppen substituiert ist, wobei mindestens eine Alkylgruppe durch mindestens 1 Chloratom substituiert ist. Insbesondere bevorzugt sind Addukte von Trifluoressigsäure und Chlormethylpicolin, insbesondere 2-Chlormethylpicolin. Derartige Addukte können beispielsweise als Zwischenprodukte bei der Herstellung von fluorsubstituierten Aminen unter Chlor-Fluor-Austausch verwendet werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Addukte der Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Difluoressigsäure und Chlordifluoressigsäure mit Pyridinen und Chinolinen, die durch eine oder mehrere C1 -C4-Alkylgruppen substituiert sind. Besonders bevorzugt sind Addukte der Trifluoressigsäure und Pyridin, das durch mindestens eine C1-C4-Alkylgruppe, vorzugsweise durch 1 , 2 oder 3 Alkylgruppen substituiert ist. Insbesondere bevorzugt sind Addukte von Trifluoressigsäure und Methylpicolin, insbesondere mit 2-Methylpicolin. Derartige Addukte können beispielsweise als Zwischenprodukte beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß die photochemische Chlorierung von insbesondere Aminen möglich wird.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, ohne sie in ihrem Umfang einzuschränken.
Beispiele
TFA = Trifluoressigsäure
Beispiel 1 :
Photochlorierung von 2-Picolin x 3 TFA bei 25 °C
Reaktion:
C5H4N-CH3 + Cl2 → C5H4N-CH2CI + HCI
Ansatz:
2-Picolin x 3 TFA 1 ,54 mol 668,9 g
Cl2 1 ,54 mol 109,2 g
Durchführung:
Picolin x 3 TFA wurde im Photoreaktor mit Kühlwasserummantelung vorgelegt und eine 500 Watt-UV-Lampe gezündet. Nach 10 min. wurde Chlor in die da. 25 °C warme Reaktionslösung eingeleitet. Nach Zugabe von ca. 30 g Chlor war eine leichte Gasentwicklung zu beobachten (Kl-Lösung färbte sich braun). Nach Zugabe von 87,4 Mol.-% Chlor wurde eine Probe gezogen, es waren erst 51 Mol.-% chloriert. Es wurde weiter Chlor eingeleitet, nach Zugabe von 119,6 Mol.-% Chlor wurde der Ansatz trübe, die Chloreinleitung wurde gestoppt, die Chlorierung betrug jetzt 66 %. Ein Teil des Ansatzes wurde über eine Füllkörperkolonne destilliert.
Das 2-Chlormethylpyridin war laut NMR-Spektrum etwa 66%ig. Es wurde Vakuum angelegt und langsam bis auf 1 mbar heruntergefahren, da eine starke Gasentwicklung stattfand. Anschließend wurde geheizt. Der Ansatz färbte sich schwarz. Die Destillation ergab braun gefärbte Fraktionen.
Das Beispiel 1 belegt, daß auch bei 25 °C bereits eine Photochlorierung möglich ist. Der Umsatz ist jedoch nicht vollständig, weil zu wenig HCI ausgetrieben worden ist.
Beispiel 2:
Photochlorierung von 2-Picolin x TFA
2.1. Herstellung von 2-Picolin x 1.75 TFA:
Ansatz:
46,57 g (0,5 mol) 2-Picolin
99,77 g (0,875 mol) TFA
In einem 250 ml Dreihalskolben wurde das Amin vorgelegt und die TFA bei Raumtemperatur zugetropft. Es wurde mit Trockeneiskühler und Eisbad gekühlt. Die Temperatur von 38 °C wurde während des Zutropfens nicht überschritten. Der Ansatz war nach der Reaktion leicht gelb gefärbt, aber klar.
2.2. Destillation von 2-Picolin x 1 ,75 TFA zur Entfernung von Verunreinigungen
Bei 8 mbar wurde die unter 2.1. erhaltene Lösung im Vakuum nochmals destilliert. Bei ca. 133 °C Übergangstemperatur ging It. lonenchromatographieanalyse Picolin x 1 ,4 TFA über. Dieses Material wurde als Ausgangsverbindung für die Photochlorierung eingesetzt. 2.3. Photochlorierung von 2-Picolin x n TFA nahe Raumtemperatur
Es wurden in einem Photoreaktor (V = 80 ml) 40 ml Picolin x 1 ,4 TFA vorgelegt und nochmals mit 40 ml TFA verdünnt. Als Lichtquelle wurde eine 150 W-UV- Lampe TQ 150 von Heraeus benutzt; bestrahlt wurde durch Duran 50 Glas. Die Wasserkühlung wurde gestartet und die Lampe wurde ca. 10 min. vor Versuchsbeginn gezündet. Nun wurde (Bestrahlungslösung hatte ca. 25 - 30 °C) Cl2 eingeleitet. Bei ca. 60 Mol.-% Cl2 relativ zu 2-Picolin war aufgrund von Trübung keine weitere Chlorumsetzung mehr möglich. Durch NMR wurde die nahezu 100 % selektive Herstellung von 2-Monochlormethylpyridin bestätigt.
2.4. Photochlorierung von 2-Picolin x n TFA bei 60 °C
Der unter 2.3. beschriebene Versuch wurde bei 60 °C Reaktionstemperatur wiederholt. Das Verhältnis 2-Picolin zu TFA wurde bei ca. 1 :3 durch Verdünnen des unter 2.2. erhaltenen Materials eingestellt.
Diesmal wurde durch die erhöhte Temperatur ein stärkerer HCI-Austrieb aus der Reaktionslösung möglich. Eine NMR-Analyse ergab nach Einleiten eines kleinen Überschusses Cl2 relativ zu 2-Picolin einen 10%igen Umsatz zu 2-Monochlor- methylpyridin. Ausgefallene Oniumchloridaddukte wurden diesmal im Vergleich zu dem unter 2.3. beschriebenen Versuch nicht beobachtet.
Das Beispiel belegt, daß bei ausreichend hoher Temperatur eine nahezu quantitative, selektive Umsetzung zu 2-Chlormethylpyridin (2-Chlorpicolin) möglich ist.
3. Herstellung von 3-Trichlormethylpyridin durch Photochlorierung von 3-Methyl- pyridin x 3 TFA
Reaktion: C5H4N-CH3 + 3 Cl2 → C5H4N-CCI3 + 3 HCI
Ansatz: 3-Methylpyridin x 3 TFA 1 ,5 mol 671 ,0 g
Cl2
Durchführung:
3-Picolin x 3 TFA wurde im Photoreaktor mit Doppelmantel vorgelegt und mittels Thermostat auf 60 °C erwärmt, anschließend wurde die 150 Watt UV-Lampe (mit Pressluft-Kühlung) gezündet und nach weiteren 10 min Chlor eingeleitet. Der Ansatz färbte sich gelb, aus dem Photoreaktor entwich gasförmige HCI. Im Reaktor war keinerlei Niederschlag (HCI-Addukte) zu erkennen. Die Selektivität zu 3-Tri- chlormethylpyridin war 98 % (Reinheitsbestimmung durch NMR). Wiederholung mit hoher Lampenleistung und höherer Einleitungsgeschwindigkeit des Chlors
Der Versuch wurde mit einer TQ 718 von Heraeus mit 500 W Lampenleistung wiederholt. Die Einleitungsgeschwindigkeit des Chlors konnte ohne Selektivitätsverlust erheblich gesteigert werden.
Versuch 3 zeigt, daß auch bei anderen Isomeren des Methylpyridins die erfindungsgemäße photochemische Chlorierung durchgeführt werden kann. Er zeigt auch, daß je nach Chlor-Einsatzmenge die Chlorierung beim monochlorierten Addukt angehalten werden kann oder bis zur Trichlormethylverbindung durchchloriert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von durch mindestens 1 Halogenatom substituierten Zielverbindungen durch photochemische Halogenierung von Ausgangsverbindungen, die durch mindestens 1 Halogenatom weniger substituiert sind als die Zielverbindungen, unter Halogen-Wasserstoff-Austausch, wobei man die Photohalogenierung unter Zusatz und/oder in Anwesenheit einer Säure durchführt, welche den Halogenwasserstoff, welcher beim Halogen-Wasserstoff-Austausch freigesetzt wird, mindestens teilweise aus dem Reaktionsgemisch austreibt, oder wobei man die Ausgangsverbindung als Addukt mit einer solchen Säure einsetzt, so daß mindestens teilweise verhindert wird, daß die Ausgangsverbindung, die Zielverbindung und/oder ein etwaig vorhandenes Amin mit dem gebildeten Halogenwasserstoff ein Addukt bildet, das als Feststoff ausfällt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Säure eine Halogencarbonsäure, bevorzugt eine durch Fluor substituierte Carbonsäure, insbesondere Trifluoressigsäure ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverbindung ein Amin ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverbindung ein cyclisches Amin ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverbindung ein aromatisches, durch mindestens eine Alkylgruppe substituiertes Amin ist, das optional zusätzlich durch 1 oder mehrere Halogenatome kernsubstituiert sein kann.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Amin ein Picolin, vorzugsweise 2-Picolin, ein Lutidin oder ein Collidin ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsmischung mit Licht einer Wellenlänge von λ >280 nm bestrahlt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur im Bereich von 10 bis 150 °C, vorzugsweise 50 bis 140 °C umsetzt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man das molare Verhältnis der zugesetzten Säure zur Summe der Basenfunktionen der Ausgangsverbindung, der Zielverbindung oder eines etwaig anwesenden Amins im Bereich von 1 :1 bis 20:1 liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Halogen für Chlor steht.
11. Addukt der Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Chlordifluoressigsäure, Difluoressigsäure mit Chlorpicolinen, Chlorlutidinen oder Chlorcollidinen.
12. Addukt der Trifluoressigsäure, Perfluorpropionsäure, Chlordifluoressigsäure, Difluoressigsäure mit Picolinen, Lutidinen oder Collidinen.
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